(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モジュール型固体酸化物燃料電池システムにおいて、
ハウジング、
少なくとも１つのモジュール型燃料電池パケットであって、
燃料電池フレームと、
第１のプレーナ型電解質シートであって、複数の燃料極が前記第１の電解質シートの第１の表面上に配置され、複数の空気極が前記第１の電解質シートの、前記第１の表面と表裏をなす、第２の表面上に配置されている、第１のプレーナ型電解質シートを有する第１の電極アセンブリと、
第２のプレーナ型電解質シートであって、複数の燃料極が前記第２の電解質シートの第１の表面上に配置され、複数の空気極が前記第２の電解質シートの、前記第１の表面と表裏をなす、第２の表面上に配置されている、第２のプレーナ型電解質シートを有する第２の電極アセンブリと、
を有し、
前記燃料電池フレームが前記第１の電極アセンブリ及び前記第２の電極アセンブリのそれぞれが互いに隔てられるように、また前記第１の電解質シート及び前記第２の電解質シートのそれぞれの前記第１の表面が互いに面し、燃料極チャンバを定めるように、前記第１の電極アセンブリ及び前記第２の電極アセンブリを支持し、前記燃料電池フレームがさらに前記燃料極チャンバと流体が通じる燃料流入口を定める、
少なくとも１つのモジュール型燃料電池パケット、及び
複数のモジュール型酸化剤熱交換パケットであって、前記熱交換パケットのそれぞれが一対の対向して隔てられた側壁をもつ構体を有し、前記構体がさらに、内部空間、前記内部空間と通じる酸化剤流入口及び前記内部空間と通じる少なくとも１つの流出口を定める、複数のモジュール型酸化剤熱交換パケット、
を備え、
前記ハウジングが前記少なくとも１つのモジュール型燃料電池パケット及び前記複数のモジュール型熱交換パケットを支持し、前記複数のモジュール型熱交換パケットの内の一対のモジュール型熱交換パケットが対向して隔てられて配置されて、間に酸化剤チャンバを定め、前記少なくとも１つのモジュール型燃料電池パケットの内の１つのモジュール型燃料電池パケットが前記一対のモジュール型熱交換パケットに対して隔てられた関係で前記酸化剤チャンバ内に配置され、前記一対のモジュール型燃料電池パケットの前記流出口は前記酸化剤チャンバと流体が通じる、
ことを特徴とするモジュール型固体酸化物燃料電池システム。
【請求項２】
‘ｎ’個の前記モジュール型燃料電池パケット及び‘ｎ＋１’個の前記モジュール型酸化剤熱交換パケットを備え、‘ｎ’が少なくとも２であることを特徴とする請求項１に記載のモジュール型固体酸化物燃料電池システム。
【請求項３】
前記一対の対向して隔てられた側壁が前記少なくとも１つのモジュール型燃料電池パケットから放出される熱を放射熱伝導で受け取り、前記一対の対向して隔てられた側壁が前記熱交換パケットの前記内部空間を流過している酸化剤を予備加熱することを特徴とする請求項１に記載のモジュール型固体酸化物燃料電池システム。
【請求項４】
前記複数のモジュール型熱交換パケットが打抜き成形金属を有することを特徴とする請求項１に記載のモジュール型固体酸化物燃料電池システム。
【請求項５】
前記モジュール型熱交換パケットのそれぞれ及び前記少なくとも１つのモジュール型燃料電池パケットが対向して、０．５ｍｍ〜７ｍｍ隔てられて、配置されることを特徴とする請求項１に記載のモジュール型固体酸化物燃料電池システム。
【請求項６】
発電のための方法において、
モジュール型固体酸化物燃料電池システムであって、
ハウジング、
少なくとも１つのモジュール型燃料電池パケットであって、
燃料電池フレームと、
第１のプレーナ型電解質シートであって、複数の燃料極が前記第１の電解質シートの第１の表面上に配置され、複数の空気極が前記第１の電解質シートの、前記第１の表面と表裏をなす、第２の表面上に配置されている、第１のプレーナ型電解質シートを有する第１の電極アセンブリと、
第２のプレーナ型電解質シートであって、複数の燃料極が前記第２の電解質シートの第１の表面上に配置され、複数の空気極が前記第２の電解質シートの、前記第１の表面と表裏をなす、第２の表面上に配置されている、第２のプレーナ型電解質シートを有する第２の電極アセンブリと、
を有し、
前記燃料電池フレームが前記第１の電極アセンブリ及び前記第２の電極アセンブリのそれぞれが互いに隔てられるように、また前記第１の電解質シート及び前記第２の電解質シートのそれぞれの前記第１の表面が互いに面し、燃料極チャンバを定めるように、前記第１の電極アセンブリ及び前記第２の電極アセンブリを支持し、前記燃料電池フレームがさらに前記燃料極チャンバと流体が通じる燃料流入口を定める、
少なくとも１つのモジュール型燃料電池パケット、及び
複数のモジュール型酸化剤熱交換パケットであって、前記熱交換パケットのそれぞれが一対の対向して隔てられた側壁をもつ構体を有し、前記構体がさらに、内部空間、前記内部空間と通じる酸化剤流入口及び前記内部空間と通じる少なくとも１つの流出口を定める、複数のモジュール型酸化剤熱交換パケット、
を備えるモジュール型固体酸化物燃料電池システムを提供する工程、
前記複数のモジュール型酸化剤熱交換パケットの内の少なくとも２つを、互いに隔てられた関係で、前記ハウジング内に配置する工程、
前記少なくとも１つのモジュール型燃料電池パケットの１つを前記ハウジング内で、前記少なくとも２つのモジュール型酸化剤熱交換パケットの間に、配置する工程、ここで前記少なくとも１つのモジュール型燃料電池パケットは前記少なくとも２つのモジュール型酸化剤熱交換パケットのそれぞれと隔てられた関係にある、
前記モジュール型酸化剤熱交換パケットの少なくとも１つの前記酸化剤流入口に酸化剤流を供給する工程、及び
前記少なくとも１つのモジュール型燃料電池パケットの前記燃料流入口に燃料流を供給する工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
前記酸化剤流が、前記少なくとも１つのモジュール型酸化剤熱交換パケットの前記内部空間を通過し、前記少なくとも１つのモジュール型酸化剤熱交換パケットの前記流出口を通過して、前記少なくとも１つのモジュール型酸化剤熱交換パケットと前記少なくとも１つのモジュール型燃料電池パケットの間に定められる酸化剤チャンバに流入し、前記燃料流が、前記燃料流入口を通過して前記少なくとも１つの燃料電池パケットの前記燃料極チャンバに流入し、前記方法が前記少なくとも１つのモジュール型酸化剤熱交換パケットと前記少なくとも１つのモジュール型燃料電池パケットの間に定められる前記酸化剤チャンバと通じている少なくとも前記電解質シートに沿って電気化学反応をおこさせる工程をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記電気化学反応が熱エネルギーを発生し、前記方法が前記少なくとも１つのモジュール型熱交換パケットに前記熱エネルギーの少なくとも一部を熱伝達する工程をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つのモジュール型熱交換パケットに伝達された前記熱エネルギーの少なくとも一部を用いて前記酸化剤流を所定の温度に予備加熱する工程をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記所定の温度が７００℃より高いことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記所定の温度が７００℃から８００℃の範囲にあることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記酸化剤流を前記酸化剤流入口に供給する工程に先立って前記酸化剤流を予備加熱する工程をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１３】
前記酸化剤が酸素含有空気を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１４】
前記燃料が水素ガスを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１５】
前記モジュール型固体酸化物燃料電池システムが‘ｎ’個の前記モジュール型燃料電池パケット及び‘ｎ＋１’個の前記モジュール型酸化剤熱交換パケットを備え、‘ｎ’が少なくとも２であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、２００８年５月３０日に出願された、米国特許出願第６１/１３０５３１号の優先権の恩典を主張する。この特許出願の明細書の内容はその全体が本明細書に参照として含まれる。
【０００２】
本発明は、アメリカ連邦標準・技術局(ＮＩＳＴ)により結ばれた協力協定第７０ＮＡＮＢ４Ｈ３０３６号の下に米国政府の支援によってなされた。米国政府は本発明に一定の権利を有する。
【技術分野】
【０００３】
本発明は固体酸化物燃料電池に関し、さらに詳しくは、反応チャンバ内の電気化学反応によってつくられる熱エネルギーを管理するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
近年、環境に優しい態様で高効率エネルギー変換ができるクリーンエネルギー源として燃料電池が大きく注目されている。固体酸化物燃料電池(ＳＯＦＣ)は、一般に７００℃と１０００℃の間の、非常な高温で動作する燃料電池の一タイプである。固体酸化物燃料電池がとり得る形状は多いが、一般にはプレーナ型構成をとる。従来のプレーナ型構成においては、単燃料極と単空気極の間に電解質が挟み込まれる。挟み込まれた電解質は水素のような燃料ガスと空気または酸素ガスの間の隔壁として用いられ、燃料ガスは隔壁の燃料極側に供給され、空気または酸素ガスは隔壁の空気極側に供給される。
【０００５】
一般的な固体酸化物燃料電池システムでは、燃料及び酸素のような、反応体の運動エネルギーのほぼ１/２が電気に変換されて、残る１/２が熱エネルギーに変換され、この熱エネルギーがＳＯＦＣシステム内の温度をかなり上昇させる。高速電気化学反応を起発させるため、反応体を高温に加熱しなければならないことが多い。例えば、薄いイットリア部分安定化ジルコニア(３ＹＳＺ)電解質を用いるシステムにおいて、有効な反応をおこさせるには反応体をほぼ７２５℃に加熱しなければならない。そのような初期反応体温度により、化学量論的水素−空気系に対する燃料電池内のピーク温度は１０００℃以上に上昇し得る。
【０００６】
燃料電池の電気的性能及び機械的性能はシステムの動作温度に強く依存する。(約１０００℃以上のような)高温においては、深刻な問題が固体酸化物燃料電池システムコンポーネント内のシール材料の熱−機械的応力及び溶融の態様で生じ得る。さらに、反応体を最適反応温度に加熱するには外部加熱が必要になることが多く、この結果総合システム効率が低くなる。
【０００７】
様々な熱管理方式が開発されている。例えば、特許文献１は熱管理のために燃料電池に連結された形状記憶合金構造体を開示している、特許文献２は個々のセルの燃料極側から熱を取り出して別のセルの空気極流を加熱するために用いられる内部双極型熱交換機を開示している。特許文献３には、燃料電池ユニットと、電解質表面に垂直な方向に流れる、熱交換機流体流の間で熱を転送するための流体熱交換機が開示されている。さらに、特許文献４にはシステムレベルにおける熱管理を補助するために燃料電池に連結された改質反応炉が開示されている。特許文献５には燃料電池の熱管理に用いるための内部改質装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４/０１７０８７９Ａ１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５/００１４０４６Ａ１号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００４/００２８９７２Ａ１号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００３/００１７６９５Ａ１号明細書
【特許文献５】国際公開第２００３/０６５４８８Ａ１号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、反応で発生する熱エネルギーによって生じる熱−機械応力を低減することができ、反応チャンバに入る反応体を予備加熱して固体酸化物燃料電池の総合システム効率を高めることもできる、熱管理システム及び方法が技術上必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、高い効率及び固体酸化物燃料電池(ＳＯＦＣ)の電解質にかけて比較的狭い動作温度分布を示す、ＳＯＦＣシステムに対するスタック構成の実施形態に関する。
【００１１】
一実施形態例にしたがえば、モジュール型固体酸化物燃料電池システムは、
(ｉ) ハウジング、
(ii) 燃料電池フレーム、複数の燃料極が第１の表面上に配置され、複数の空気極が第１の表面と表裏をなす第２の表面上に配置された、第１のプレーナ型電解質シートを有する第１の電極アセンブリ、及び、複数の燃料極が第１の表面上に配置され、複数の空気極が第１の表面と表裏をなす第２の表面上に配置された、第２のプレーナ型電解質シートを有する第２の電極アセンブリ、を有する少なくとも１つのモジュール型燃料電池パケット、ここで、燃料電池フレームは、第１及び第２の電極アセンブリのそれぞれが互いに隔てられるように、また第１及び第２の電解質シートのそれぞれの第１の表面が互いに面し、燃料極チャンバを定めるように、第１及び第２の電極アセンブリを支持し、燃料電池フレームはさらに、燃料極チャンバと流体が通じる燃料流入口を定める、及び
(iii)それぞれが一対の対向して隔てられた側壁をもつ構体を有する複数のモジュール型酸化剤熱交換パケット、ここで、構体はさらに、内部空間、内部空間と通じる酸化剤流入口、及び内部空間と通じる少なくとも１つの流出口を定める、
を備え、
ハウジングは少なくとも１つのモジュール型燃料電池パケット及び複数のモジュール型熱交換パケットを支持し、複数のモジュール型熱交換パケットの内の一対のモジュール型熱交換パケットが対向して隔てられて配置されて、間に酸化剤チャンバを定め、少なくとも１つのモジュール型燃料電池パケットの内の１つのモジュール型燃料電池パケットが一対のモジュール型熱交換パケットに対して隔てられた関係で酸化剤チャンバ内に配置され、一対のモジュール型燃料電池パケットの流出口は酸化剤チャンバと流体が通じる。
【００１２】
一例において、ＳＯＦＣシステムは、低効率の外部熱交換システムを縮小または排除する、ＳＯＦＣ内のプレーナ型電解質電極アセンブリのような、能動ＳＯＦＣパケット間に配置された、内部熱交換を提供するための、予備加熱チャンバを備える。電気化学反応チャンバ内で発生する熱エネルギーの一部を利用して燃料電池に入る空気及び／または燃料を予備加熱することにより、総合システム効率を大きく高めることができる。さらに、空気を予備加熱することで流量を下げることが可能になり、これもシステムの効率及び信頼性を高める。予備加熱チャネルは、損傷をそれぞれの単燃料電池デバイス内に隔離するに役立つ、単燃料電池パケットの間の障壁としてはたらくこともできる。
【００１３】
一実施形態例において、本発明は、ハウジング、少なくとも１つのモジュール型燃料電池パケット、及び複数のモジュール型酸化剤熱交換パケットを備える、モジュール型固体酸化物燃料電池システムを提供する。別の実施形態において、少なくとも１つのモジュール型燃料電池パケットは、燃料電池フレーム、複数の燃料極が第１の表面上に配置され、複数の空気極が第１の表面と表裏をなす第２の表面上に配置された、第１のプレーナ型電解質シートを有する第１の電極アセンブリ、及び、複数の燃料極が第１の表面上に配置され、複数の空気極が第１の表面と表裏をなす第２の表面上に配置された、第２のプレーナ型電解質シートを有する第２の電極アセンブリを有する。燃料電池フレームは第１及び第２の電極アセンブリを、それぞれが互いに隔てられるように、また第１及び第２の電解質シートのそれぞれの第１の表面が互いに面して燃料極チャンバを定めるように、支持することができる。燃料電池フレームはさらに、燃料極チャンバと流体が通じる燃料流入口を定める。
【００１４】
また別の実施形態例において、ハウジングは少なくとも１つのモジュール型燃料電池パケット及び複数のモジュール型熱交換パケットを支持することができる。対のモジュール型熱交換パケットが対向して隔てられて配置され、間に酸化剤チャンバを定める。対のモジュール型熱交換パケットに対して隔てられた関係でモジュール型燃料電池パケットが酸化剤チャンバ内に配置することができる。また別の実施形態にしたがえば、対のモジュール型熱交換パケットの流出口は酸化剤チャンバと流体が通じる。
【００１５】
別の実施形態例において、本発明は、ハウジング、少なくとも１つのモジュール型燃料電池パケット及び複数のモジュール型酸化剤熱交換パケットを備える、モジュール型固体酸化物燃料電池システムを提供する工程を含む、発電のための方法を提供する。本方法はさらに、複数のモジュール型酸化剤熱交換パケットの内の少なくとも２つを互いに隔てられた関係でハウジング内に配置する工程及び少なくとも１つのモジュール型燃料電池パケットの内の１つをハウジング内で少なくとも２つのモジュール型酸化剤熱交換パケットの間に配置する工程を含むことができる。特定の実施形態において、少なくとも１つのモジュール型燃料電池パケットは少なくとも２つのモジュール型酸化剤熱交換パケットのそれぞれに対して隔てられた関係にある。別の実施形態において、方法は、少なくとも１つのモジュール型酸化剤熱交換パケットの酸化剤流入口に酸化剤流を供給する工程及び少なくとも１つのモジュール型燃料電池パケットの燃料流入口に燃料流を供給する工程を含む。また別の実施形態において、方法は少なくとも１つの燃料電池パケットによって発生する熱エネルギーを、酸化剤流を予備加熱するために用いる工程を含む。
【００１６】
本発明のさらなる実施形態は、ある程度は、詳細な説明及び添付される特許請求項のいずれかに述べられ、ある程度は詳細な説明から導かれ、あるいは本発明の実施により習得することができる。上記の全般的記述及び以下の詳細な記述が例示及び説明のためでしかなく、開示及び／または特許請求されるような本発明の限定ではないことは当然である。
【００１７】
本明細書に組み込まれて本明細書の一部をなす添付図面は本発明のいくつかの態様を示し、記述とともに、本発明の原理を、限定ではなく、説明するに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態にしたがう、動作環境内のモジュール型固体酸化物燃料電池システムの破断図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の別の実施形態にしたがう、モジュール型燃料電池パケットの燃料電池フレームを示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは図２Ａの燃料電池パケットフレームの区画Ａ-Ａの断面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態にしたがう、モジュール型燃料電池パケットを示す。
【図４】図４は、本発明の別の実施形態にしたがう、モジュール型酸化剤熱交換パケットの側壁を示す。
【図５】図５は、本発明の一実施形態例にしたがう、モジュール型酸化剤熱交換パケットが内部に配されているモジュール型固体酸化物燃料電池システムの斜視断面図である。
【図６】図６は、本発明の別の実施形態例にしたがう、モジュール型燃料電池パケット及びモジュール型熱交換パケットが内部に配されているモジュール型固体酸化物燃料電池システムの斜視断面図である。
【図７】図７はモジュール型固体酸化物燃料電池内の酸化剤及び燃料の流れを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の以下の説明は、最善の、現在知られている実施形態において本発明の教示を可能にするように提供される。この目的に対し、当業者であれば、本明細書に説明される本発明の様々な実施形態に多くの変更がなされ得るがそれでも本発明の有益な結果を得られることを認め、理解するであろう。本発明の望ましい恩恵の内のいくつかが本発明の特徴の内のいくつかを選択することにより、他の特徴は用いずに、得られることも明らかであろう。したがって、当業者であれば、本発明に多くの改変及び翻案が可能であり、いくつかの状況においては望ましくさえあり、本発明の一部であることを認めるであろう。したがって、以下の説明は、本発明の限定ではなく、本発明の原理の説明として提供される。
【００２０】
本明細書で用いられるように、単数形は、そうではないことを文脈が明白に規定していない限り、複数の指示対象を含む。すなわち、例えば「酸化剤予備加熱チャンバ」への言及は、そうではないことを文脈が明白に規定していない限り、２つ以上のそのような「酸化剤予備加熱チャンバ」を有する実施形態を含む。
【００２１】
本明細書において範囲は[「約」１つの特定値]から、及び／または[「約」別の特定値]までとして表され得る。範囲がそのように表される場合、別の実施形態はその１つの特定値から及び／またはその別の特定値までを含む。同様に、先行詞「約」の使用により値が近似値として表されていれば、その特定の値が別の実施形態をなすことは理解されるであろう。さらに、範囲のそれぞれの端点が、他方の端点との関係でも、他方の端点とは独立にも、有意であることは理解されるであろう。
【００２２】
上で簡潔に要約したように、本発明は、モジュール型固体酸化物燃料電池デバイス内の温度分布を管理し、総合システム効率を高めるためのシステム及び方法を提供する。そのようなシステム及び方法は、様々な実施形態において、燃料電池デバイス内の反応でつくられる熱エネルギーを利用して燃料電池デバイスに入る空気及び／または燃料ガスを予備加熱し、よって外部予備加熱システムの必要を減じ、及び／または排除することによって固体酸化物燃料電池システムの効率を高める。
【００２３】
本発明の様々な実施形態にしたがえば、図１に示されるように、例えば、モジュール型固体酸化物燃料電池システム１０は、ハウジング１００，少なくとも１つのモジュール型燃料電池パケット２００及び少なくとも１つのモジュール型酸化剤熱交換パケット３００を備える。図１に示されるように、複数のモジュール型燃料電池パケット２００及び複数のモジュール型酸化剤熱交換パケット３００は、燃料電池パケットと酸化剤熱交換パケットが交互するアレイの形態でハウジング１００内に配置することができる。すなわち、一特定実施形態において、燃料電池パケット及び熱交換パケットは、それぞれの燃料電池パケットが２つの熱交換パケットの間に配置されるように、配列することができる。したがって、この構成において、パケットの最小数は燃料電池パケットが１つ及び熱交換パケットが２つである。パケットの最大数は固体酸化物燃料電池システムからの必要な出力電力量によって決定される。
【００２４】
それぞれの燃料電池パケット２００には、２つの(本明細書では電極アセンブリとも称される)燃料電池デバイスの間に形成された、燃料電池パケット内部に位置する気密に隔離された燃料チャンバが組み込まれる。さらに詳しくは、様々な実施形態にしたがえば、燃料電池パケット２００は燃料電池パケットフレーム２０２及び少なくとも１つの電極アセンブリ(すなわち燃料電池デバイス)２１０を有することができる。図１に示される実施形態において、それぞれの燃料電池デバイス２１０は複セルデバイスである。すなわち、それぞれの燃料電池デバイス２１０はアレイに配列された複数の燃料電池を有する。この特定の実施形態において、それぞれの燃料電池デバイスはプレーナ型電解質支持燃料電池アレイである。
【００２５】
燃料電池パケットフレーム２０２の例が図２Ａ及び２Ｂに示される。燃料電池フレームは、様々な材料の実質的に長方形の打抜き成形シートで作成することができる。燃料電池フレームは、例えば、Ｅ-ブライトまたは４４６-ステンレス鋼のような、ステンレス鋼シート２０３で作成することができる。あるいは、燃料電池フレームは、ガラス、ガラス-セラミック、完全安定化ジルコニアまたは部分安定化ジルコニアで作成することができる。フレーム材料の熱膨張係数(ＣＴＥ)は電解質材料のＣＴＥに近いことが好ましい(例えば、フレーム材料と電解質材料の間のＣＴＥ差は１×１０−６ｃｍ/ｃｍ/℃以内、好ましくは０.６×１０−６ｃｍ/ｃｍ/℃以内、さらに好ましくは０.４×１０−６ｃｍ/ｃｍ/℃以内である)。例えば、それぞれのフレームはシートとして作成することができ、シートの内部領域に定められた実質的に長方形の開口２０２Ａを有することができ、したがって、それぞれのシートは内周縁及び外周縁を定めることができる。シートは、例えば、ウエルを形成するためのような、内周縁と外周縁の間にあるシート領域の形態で打抜き成形することができる。図２Ｂに示されるように、ウエルは、シート２０３が面と面で突き合わせられたときに、シートが外周縁領域に沿って実質的に全面的に接触するが、内周縁領域に沿っては相互にある距離隔てられているような、形状につくることができる。図２Ａに示されるように、燃料流入口２０４が燃料電池フレームの下部領域に形成されたウエルと流体を通じることができる。同様に、燃料流出口２０６が燃料電池フレームの上部領域に形成されたウエルと流体を通じることができる。
【００２６】
燃料電池パケット２００は、別の実施形態にしたがえば、少なくとも１つの(本明細書では電極アセンブリとも称される)燃料電池デバイス２１０を有することができる。図３を参照すれば、電極アセンブリは、第１の表面及び第１の表面と表裏をなす第２の表面をもつ実質的にプレーナ型のシートとすることができる、電解質シート２１２を有することができる。複数の燃料極２１４が第１の表面上に配置され、複数の空気極２１６が第１の表面と表裏をなす第２の表面上に配置されて、複セル燃料電池デバイスを形成する。第２の電極アセンブリを同様に形成することができる。一実施形態において、燃料電池フレーム２０２が、第１及び第２の電極アセンブリ(すなわち燃料電池デバイス)２１０がある離隔距離で相互に隔てられるように、第１及び第２の電極アセンブリ２１０を支持することができる。別の実施形態において、第１及び第２の電極アセンブリ２１０は、第１及び第２の電極アセンブリ２１０のそれぞれの第１の表面が互いに面して燃料極チャンバ(すなわち燃料チャンバ)２２０を定めるように、フレーム２０２によって支持される。上述したように、燃料電池フレーム２０２は、燃料電池フレームのシートの部分領域が内周縁に沿って相互にｄの離隔距離にあるような態様で、打抜き成形材料で形成することができる(あるいは、ガラスまたはガラス-セラミックで作成することができる)。この距離ｄは、例えば０.５ｍｍに、あるいはさらに大きく、することができる。一般的な距離は、例えば１ｍｍ〜７ｍｍとすることができる。このようにすれば、燃料流入口２０４から、燃料電池フレームの下部に形成されたウエルを通り、(本明細書では燃料チャンバとも称される)燃料極チャンバ内に、流体が通じることができる。同様に、燃料極チャンバから、燃料電池フレームの上部に形成されたウエルを通り、燃料電池パケット２００の燃料流出口２０６に、流体が通じることができる。
【００２７】
本発明の一実施形態にしたがえば、燃料電池パケット２００内で燃料が流れる方向は、実質的に重力の方向である。燃料電池パケットのフレーム２０２は、例えば壁厚が１ｍｍをこえない、例えば０.２５ｍｍ〜１ｍｍの、成形ステンレス鋼合金で作成することができる。
【００２８】
一実施形態において、複数の空気極２１６は、酸素含有空気のような、酸化剤と反応して酸素イオンをつくる。複数の燃料極２１４は、空気極２１６でつくられた酸素イオンを用いる(水素ガスのような、ただしこれには限定されない)燃料との反応によって、水及び電気をつくる。電解質シート２１２は、空気極側の酸化剤を燃料極側の燃料から隔てる、メンブレンまたはバリアとしてはたらく。この構成において、電解質シート２１２は、燃料極側での酸化反応から生じる電子の空気極側への到達を防止する、電気絶縁体としてもはたらくことができる。別の実施形態において、電解質シート２１２は、空気極２１６でつくられた、酸素イオンを燃料極２１４に伝導するように構成することができる。
【００２９】
いくつかの実施形態にしたがう、モジュール型固体酸化物燃料電池システムはさらに、複数のモジュール型酸化剤熱交換パケット３００を備える。モジュール型酸化剤熱交換パケットは、本明細書では熱交換キャビティとも称される、内部空間(すなわち空気チャンバ)３０４を定めるようにそれぞれが配置された、対向して隔てられた一対の側壁３０２をもつ構体を有することができる。図４はモジュール型酸化剤熱交換パケット３００の一例の側壁３０２を示す。モジュール型熱交換パケットの側壁３０２は、例えば、Ｅ-ブライトまたは４４６ステンレス鋼のようなステンレス鋼、またはニッケル合金で作成することができ、あるいはガラス、ガラス-セラミック、完全安定化ジルコニアまたは部分安定化ジルコニアで作成することができる。側壁３０２は厚さが１ｍｍをこえない成形ステンレス鋼合金で作成することができる。側壁３０２は、例えば、壁厚が１ｍｍをこえない、例えば０.１ｍｍ〜１ｍｍの、成形ステンレス鋼合金で作成することができる。熱交換パケット３００の側壁３０２は、相互に突き合わされているが、それぞれの打抜き成形体が熱勾配の条件下で互いに対して滑ることができるように、拘束はされていない、２枚の成形合金構造体(壁体)を有することができる。
【００３０】
図からわかるように、酸化剤予備加熱チャンバ(すなわち熱交換チャンバ)としてはたらく、内部空間(内部空気チャンバ)３０４と通じる酸化剤流入口３０６を定めるように、側壁の一部を形成することができる。側壁３０２はさらに内部空間３０４と通じる流出口３０８を少なくとも１つ定めることができる。特定の実施形態(図４を見よ)において、流出口は側壁３０２の下部に定められた実質的に水平のスリットである。別の実施形態において、酸化剤流出口３０８の形状は酸化剤流入口３０６と同様である。熱交換パケット３００は気密シールされる必要はなく、ＣＴＥが燃料電池デバイスと整合する必要もない。
【００３１】
熱交換パケット３００はフレーム及び２枚のプレーナ型電解質シートからなることができ、電解質シートは、電解質シート間のキャビティが酸化剤(空気)熱交換チャンバとしてはたらく内部空気チャンバ３０４を定めるように、相互に実質的に平行に配置される。
【００３２】
図５に示されるように、複数のモジュール型酸化剤熱交換パケット３００をハウジング１００によって支持することができる。一実施形態において、少なくとも２つの熱交換パケット３００を、相互の間に酸化剤チャンバ３１０が定められるように、間隔をおき、互いに対向させて、ハウジング１００内に配置することができる。特定の実施形態において、モジュール型酸化剤熱交換パケット３００は、図５に示されるように、ハウジング内に実質的に垂直に配置される。
【００３３】
ハウジング１００は、図６及び７に示されるように、少なくとも１つのモジュール型燃料電池パケットを同様に支持することができる。特定の実施形態において、少なくとも１つのモジュール型燃料電池パケット２００は、一対のモジュール型酸化剤熱交換パケット３００の間にモジュール型酸化剤熱交換パケット３００と隔てられた関係で(例えば、酸化剤チャンバ３１０内に)配置され、よって燃料電池パケット２００の壁体と熱交換パケット３００の壁体の間におかれた空気極反応チャンバ３１０Ａが形成される。すなわち、熱交換パケット３００はモジュール型燃料電池パケット２００の燃料電池デバイス２１０の空気極側に面する。隣り合うパケットの(壁面間)間隔は、例えば約０.５ｍｍ〜７ｍｍ、さらに好ましくは１ｍｍ〜５ｍｍとすることができる。様々な実施形態にしたがえば、モジュール型固体酸化物燃料電池デバイスは‘ｎ’個のモジュール型燃料電池パケット及び‘ｎ＋１’個のモジュール型酸化剤熱交換パケットを備えることができる。例えば、モジュール型固体酸化物燃料電池デバイスは、１個のモジュール型燃料電池パケット及び２個のモジュール型酸化剤熱交換パケットを備えることができる。別の実施形態において、‘ｎ’は少なくとも２とすることができ、よって、モジュール型固体酸化物燃料電池デバイスはすくなくとも２個のモジュール型燃料電池パケット及び少なくとも３個のモジュール型酸化剤熱交換パケットを備えることができる。様々な実施形態にしたがえば、モジュール型固体酸化物燃料電池は、いかなる数のモジュール型燃料電池パケット及びいかなる数のモジュール型酸化剤熱交換パケットも備えることができると考えられ、本明細書に挙げられる特定の数に限定されることはない。
【００３４】
図７は図４に示される熱交換パケットと同様の熱交換パケットを利用するモジュール型固体酸化物燃料電池システム内の、空気のような酸化剤及び燃料の流れの例を簡略に示す。図示されるように、空気はモジュール型酸化剤熱交換パケット３００の内の少なくとも１つの酸化剤流入口３０６を通ってデバイスに入る。この実施形態において、空気は熱交換パケットを通って(すなわち熱交換パケット内に形成された内部空間３０４を通って)下方に(すなわち重力の方向に)流れ、流出口３０８を通って酸化剤チャンバを出る。空気は次いで、熱交換パケットの隣に配置されたモジュール型燃料電池パケットの空気極側または表面に沿って酸化剤チャンバ３１０を(したがって空気極反応チャンバ３１０Ａを)通過する。上述したように、空気または酸化剤は空気極２１６と反応して酸素イオンをつくり、酸素イオンは電解質シート２１２を通して燃料極側または表面まで伝導される。水素ガスのような、ただしこれには限定されない、燃料は燃料流入口２０４を通ってモジュール型燃料電池パケット２００，詳しくは燃料極チャンバ２２０に入る。燃料は燃料極において酸素イオンと反応して水及び電気をつくる。この反応の生成物(例えば排ガス)は流出口２０６を通って燃料極チャンバを出る。
【００３５】
図７に示されるように、２つのモジュール型燃料電池パケット２００の間に配置されたモジュール型熱交換パケット３００に関して、熱交換パケットの内部空間３０４を通過する空気はそれぞれの熱交換パケットのそれぞれの側壁３０２に定められた流出口３０８を通って出ることができる。このようにすれば、空気は、それぞれの熱交換パケット３００に面する燃料電池パケット２００のそれぞれの空気極側に沿って酸化剤チャンバ３１０を通過することができる。したがって、燃料電池パケット２００の壁面及び隣り合うそれぞれの熱交換パケット(酸化剤熱交換パケット)３００の壁面は、空気が燃料電池パケット２００の壁面と隣り合うそれぞれの熱交換パケット３００の壁面の間を流れる、空気極反応チャンバ３１０Ａの、一部を、提供する。熱交換パケット３００は、燃料電池パケット２００によって発生する熱エネルギーを、例えば放射サセプタ及びスプレッダを用いて、熱交換パケット(酸化剤熱交換パケット)内の低温の空気に伝達することによって、燃料電池パケット２００及び燃料電池スタック内の熱勾配の制御及び／または最小化に役立つ。すなわち、熱交換パケットの壁面は放射熱吸収により放射サセプタとしてはたらき、次いで熱を拡散させて、熱交換パケット３００の内部空間３０４内部の酸化剤に熱を供給する。例えば、熱は、
(ｉ) 初めに、(熱は燃料の酸素イオンとの反応によりモジュール型燃料電池パケットの電解質シートに沿って発生して)燃料電池パケットから燃料電池パケット２００と熱交換パケット３００の間にある空気−すなわち、それぞれの熱交換パケットに面する燃料電池パケットのそれぞれの空気極側に沿う酸化剤チャンバ内の空気−に放射で伝達され，
(ii) 熱交換パケット３００の壁面全体にわたって伝導で拡散し、次いで
(iii)最終的に対流及び／または気相伝導によって入り空気に伝達される。
【００３６】
図７に示される実施形態例において、空気(または本明細書に説明されない別の実施形態においては燃料)が初めに電極アセンブリ２０１からの熱放出によって予備加熱される。熱は初めに、燃料電池デバイス２１０または燃料電池パケット２００の側壁から熱交換パケット３００の合金壁面に放射で伝達され、次いで熱交換パケット３００の壁面全体にわたって伝導で拡散し、最後に対流により、また量は少ないが気相伝導により、入り空気に伝達される。温度勾配は、５０℃以内に維持できることが好ましく、３５℃以内に維持できることがさらに好ましく、２５℃以内に維持できることが最も好ましい。
【００３７】
様々な実施形態にしたがえば、空気極との反応のため、すなわち、空気極とのより高速及び／またはより効率的な電気化学反応を可能にするためには、酸化剤が所定の温度になければならない。別の実施形態にしたがえば、酸素イオンと反応して電気をつくるためには、燃料も所定の温度にあることが必要であり得る。一実施形態において、供給される燃料または空気あるいは両者の所定の温度は、ほぼ６００℃〜１０００℃のような、６００℃より高いいずれかの温度とすることができる。必要に応じて、燃料または空気あるいは両者の所定の温度は、約６５０℃〜約９００℃の範囲、好ましくは７００℃〜約９００℃または６５０℃〜８００℃の範囲にあることができる。
【００３８】
特定の実施形態において、モジュール型燃料電池システムに初めに供給される空気または酸化剤は、特定の所定の温度に予備加熱することができる。必要に応じて、燃料の酸素イオンとの反応によってモジュール型燃料電池パケット２００の電解質シート２１２に沿って熱を発生させる。発生された熱エネルギーはモジュール型熱交換パケット３００のそれぞれの側壁を通して伝導し、熱交換パケットを通過している空気を予備加熱することができる。すなわち、一実施形態において、モジュール型熱交換パケット３００は所定の熱伝導度を有する材料で構成することができる。したがって、一実施形態において、燃料電池パケットの反応によって発生された熱エネルギーは酸化剤を予備加熱するために用いることができ、これは反応をおこさせるために必要である。上述したように、プロセスを最初に開始するために、酸化剤を外部予備加熱手段によって予備加熱することができる。しかし、燃料電池パケット２００における初期反応に際し、モジュール型固体酸化物燃料電池システムは実質的に、酸化剤または燃料あるいは両者のための外部加熱手段を必要としない、自走型とすることができると考えられる。すなわち、モジュール型固体酸化物燃料電池システム内で初期反応がおこってしまえば、比較的低温の空気を熱交換パケット３００の流入口を通して燃料電池システムに取り込むことができ、この空気を、熱交換パケット３００を通過している間に漸次加熱することができ、空気極を通り過ぎるときまでに、空気極２１６と反応するに必要な所定の温度に到達させることができる。
【００３９】
当業者には当然であろうように、モジュール型固体酸化物燃料電池システム１０内で反応がおこると、システム内のコンポーネントは熱膨張及び／または収縮に耐えることになる。一実施形態において、モジュール型熱交換パケット３００のそれぞれ及びモジュール型燃料電池パケット２００のそれぞれの間の空間離隔により、パケットのそれぞれは他のパケットと干渉せずに様々な率で膨張することができる。一実施形態において、例えば、モジュール型熱交換パケットは、例えば、モジュール型燃料電池パケットのフレームより高い熱膨張係数(ＣＴＥ)を有する材料で構成できる壁体を有する。すなわち、モジュール型熱交換パケットは燃料電池パケットが受ける熱勾配より大きな熱勾配を受けることができ、したがって燃料電池パケットとは独立に動くことができて、燃料電池パケットとの干渉が回避される。
【００４０】
本発明のいくつかの、説明のための、特定の実施形態に関して本発明を詳細に説明したが、添付される特許請求の範囲に定められるような本発明の広汎な精神及び範囲を逸脱しない数多くの改変が可能であるから、本発明がそのような実施形態に限定されると見なされるべきではないことは当然である。
【符号の説明】
【００４１】
１０    モジュール型固体酸化物燃料電池システム
１００    ハウジング
２００    モジュール型燃料電池パケット
２０２    燃料電池パケットフレーム
２０３    ステンレス鋼シート
２０４    燃料流入口
２０６    燃料流出口
２１０    燃料電池デバイス(電極アセンブリ)
２１２    電解質シート
２１４    燃料極
２１６    空気極
２２０    燃料極チャンバ(燃料チャンバ)
３００    モジュール型酸化剤熱交換パケット
３０２    モジュール型酸化剤熱交換パケット側壁
３０４    モジュール型酸化剤熱交換パケット内部空間(熱交換キャビティ)
３０６    酸化剤流入口
３０８    酸化剤流出口
３１０    酸化剤チャンバ
３１０Ａ    空気極反応チャンバ
【図２Ｂ】
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【図７】
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【図１】
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【図２Ａ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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